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高壓變頻器

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變頻器是利用電力半導體器件的通斷作用將工頻電源變換為另一頻率的電能控制裝置。隨著現代電力電子技術和微電子技術的迅猛發展,高壓大功率變頻調速裝置不斷地成熟起來,原來一直難于解決的高壓問題,近年來通過器件串聯或單元串聯得到了很好的解決。

高壓變頻器的種類繁多,其分類方法也多種多樣。按著中間環節有無直流部分,可分為交交變頻器和交直交變頻器;按著直流部分的性質,可分為電流型和電壓型變頻器;按著有無中間低壓回路,可分為高高變頻器和高低高變頻器;按著輸出電平數,可分為兩電平、三電平、五電平及多電平變頻器;按著電壓等級和用途,可分為通用變頻器和高壓變頻器;按著嵌位方式,可分為二極管嵌位型和電容嵌位型變頻器等等。

電流型

由于在變頻器的直流環節采用了電感元件而得名,其優點是具有四象限運行能力,能很方便地實現電機的制動功能。缺點是需要對逆變橋進行強迫換流,裝置結構復雜,調整較為困難。另外,由于電網側采用可控硅移相整流,故輸入電流諧波較大,容量大時對電網會有一定的影響。

高壓型

由于在變頻器的直流環節采用了電容元件而得名,隨著技術的進步,高壓變頻器可以實現四象限運行,也能實現矢量控制,已經成為當前傳動系統調速的主流產品。

高低高型

采用升降壓的辦法,將低壓或通用變頻器應用在中、高壓環境中而得名。原理是通過降壓變壓器,將電網電壓降到低壓變頻器額定或允許的電壓輸入范圍內,經變頻器的變換形成頻率和幅度都可變的交流電,再經過升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。

這種方式,由于采用標準的低壓變頻器,配合降壓,升壓變壓器,故可以任意匹配電網及電動機的電壓等級,容量小的時候(<500KW)改造成本較直接高壓變頻器低。缺點是升降壓變壓器體積大,比較笨重,頻率范圍易受變壓器的影響,還有就是由于引入了變壓器使得系統效率比較低。

一般高低高變頻器可分為電流型和電壓型兩種。

高電流型

電路拓撲結構如圖1所示,在低壓變頻器的直流環節由于采用了電感元件而得名。輸入側采用可控硅移相控制整流,控制電動機的電流,輸出側為強迫換流方式,控制電動機的頻率和相位。能夠實現電機的四象限運行。

高電壓型

前段引入降壓變壓器,將電網降壓,然后連接低壓變頻器。低壓變頻器輸入側可采用可控硅移相控制整流,也可以采用二極管三相橋直接整流,中間直流部分采用電容平波并儲能。逆變或變流電路常采用 IGBT元件,通過SPWM變換,即可得到頻率和幅度都可變的交流電,再經升壓變壓器變換成電機所需要的電壓等級。需要指出的是,在變流電路至升壓變壓器之間還需要置入正弦波濾波器(F),否則升壓變壓器會因輸入諧波或dv/dt過大而發熱,或破壞繞組的絕緣。該正弦波濾波器成本很高,一般相當于低壓變頻器的1/3到1/2的價格。

高高變頻

高高變頻器無需升降壓變壓器,功率器件在電網與電動機之間直接構建變換器。由于功率器件耐壓問題難于解決,目前最直接的做法是采用器件串聯的辦法來提高電壓等級,其缺點是需要解決器件均壓和緩沖難題,技術復雜,難度大。但這種變頻器由于沒有升降壓變壓器,故其效率較高低高方式的高,而且結構比較緊湊。

高高電流

它采用GTO,SCR或IGCT元件串聯的辦法實現直接的高壓變頻,電壓可達10KV。由于直流環節使用了電感元件,其對電流不夠敏感,因此不容易發生過流故障,逆變器工作也很可靠,保護性能良好。其輸入側采用可控硅相控整流,輸入電流諧波較大。變頻裝置容量大時要考慮對電網的污染和對通信電子設備的干擾問題。均壓和緩沖電路,技術復雜,成本高。由于器件較多,裝置體積大,調整和維修都比較困難。逆變橋采用強迫換流,發熱量也比較大,需要解決器件的散熱問題。其優點在于具有四象限運行能力,可以制動。

需要特別說明的是,該類變頻器由于較低的輸入功率因數和較高的輸入輸出諧波,故需要在其輸入輸出側安裝高壓自愈電容。

高高電壓

電路結構采用IGBT 直接串聯技術,也叫直接器件串聯型高壓變頻器。其在直流環節使用高壓電容進行濾波和儲能,輸出電壓可達13.8KV,其優點是可以采用較低耐壓的功率器件,串聯橋臂上的所有IGBT作用相同,能夠實現互為備用,或者進行冗余設計。缺點是電平數較低,僅為兩電平,輸出電壓dV/dt也較大,需要采用特種電動機或加裝共模電壓濾波器和高壓正弦波濾波器,其成本會增加許多。由于它與低壓變頻器有著一樣的拓撲結構,因此它像低壓變頻器一樣具有四象限運行功能,也可以實現矢量控制。

這種變頻器同樣需要解決器件的均壓問題,一般需特殊設計驅動電路和緩沖電路。對于IGBT驅動電路的延時也有極其苛刻的要求。一旦IGBT的開通、關閉的時間不一致,或者上升、下降沿的斜率相差太懸殊,均會造成功率器件的損壞.

嵌位型

鉗位型變頻器一般可分為二極管鉗位型和電容鉗位型。

二極管型

它既可以實現二極管中點嵌位,也可以實現三電平或更多電平的輸出,其技術難度較直接器件串聯型變頻器低。由于直流環節采用了電容元件,因此它仍屬于電壓型變頻器。這種變頻器需要設置輸入變壓器,它的作用是隔離與星角變換,能夠實現12脈沖整流,并提供中間嵌位零電平。通過輔助二極管將IGBT等功率器件強行嵌位于中間零電平上,從而使IGBT兩端不會因過壓而燒毀,又實現了多電平的輸出。

這種變頻器結構,輸出可以不安裝正弦波濾波器。但是由于采用了變壓器,成本上有所增加。

電容型

它采用同橋臂增設懸浮電容的辦法實現了功率器件的嵌位,這種變頻器應用的比較少。

行業特點

變頻器是一種使電動機變速運行進而達到節能效果的設備,習慣上把額定電壓在3kV到10kV之間的電動機稱為高壓電機,因此一般把針對3kV至10kV高電壓環境下運行的電動機而開發的變頻器稱為高壓變頻器。與低壓變頻器相比,高壓變頻器適用于大功率風電、水泵的變頻調速,可以收到顯著的節能效果。

隨著節能環保需求的增加以及裝備升級改造步伐的加快,中國高壓變頻器行業呈現穩步增長態勢,市場規模從2005年的11億元增至2011年的63億元,年復合增長率達到35.4%;在變頻器中的比重也從2006年的12.9%增至2011年的22.8%。2012年隨著下游行業變頻化率的提升,高壓變頻器市場增長速度有望達到34.92%。中國高壓變頻器行業主要有以下幾個運行特點

國產現狀

隨著技術研究的進一步深入,在理論上和功能上國產高壓變頻器已經可以與進口變頻器相比肩,但是受工藝技術的限制,與進口產品的差距還是比較明顯。這些狀況主要表現在如下幾個方面:

① 國外各大品牌的產品正加緊占領國內市場,并加快了本地化的步伐。

② 具有研發能力和產業化規模的逐年增加。

③ 國產高壓變頻器的功率也越做越大,目前國內最大的應用做到了20000KW。

④ 國內高壓變頻器的技術標準還有待規范。

⑤ 與高壓變頻器相配套的產業很不發達。

⑥ 生產工藝一般,可以滿足變頻器產品的技術要求,價格相對低廉。

⑦ 變頻器中使用的功率半導體關鍵器件完全依賴進口,而且相當長時間內還會依賴進口。

⑧ 與發達國家的技術差距在縮小,具有自主知識產權的產品正應用在國民經濟中。

⑨ 已經研制出具有瞬時掉電再恢復、故障再恢復等功能的變頻器。

⑩ 部分廠家已經開發出四象限運行的高壓變頻器。

11矢量控制的高壓變頻器也已經在應用。

國外現狀

國外各大品牌的變頻器生產商,均形成了系列化的產品,其控制系統也已實現全數字化。幾乎所有的產品均具有矢量控制功能,完善的工藝水平也是國外品牌的一大特點。在發達國家,只要有電機的場合,就會同時有變頻器的存在。其現階段發展情況主要表現如下:

① 技術開發起步早,并具有相當大的產業化規模。

② 能夠提供特大功率的變頻器,已超過10000KW。

③ 變頻調速產品的技術標準比較完備。

④ 與變頻器相關的配套產業及行業初具規模。

⑤ 能夠生產變頻器中的功率器件,如IGBT、IGCT、SGCT等。

⑥ 高壓變頻器在各個行業中被廣泛應用,并取得了顯著的經濟效益。

⑦ 產品國際化,當地化加劇。

⑧ 新技術,新工藝層出不窮,并被大量的、快速的應用于產品中。

未來態勢

交流變頻調速技術是強弱電混合,機電一體的綜合技術,既要處理巨大電能的轉換(整流、逆變),又要處理信息的收集、變換和傳輸,因此它必定會分成功率和控制兩大部分。前者要解決與高壓大電流有關的技術問題,后者要解決的軟硬件控制問題。因此,未來高壓變頻調速技術也將在這兩方面得到發展,其主要表現為:

① 高壓變頻器將朝著大功率,小型化,輕型化的方向發展。

② 高壓變頻器將向著直接器件高壓和多重疊加(器件串聯和單元串聯)兩個方向發展。

③ 更高電壓、更大電流的新型電力半導體器件將應用在高壓變頻器中。

④ 現階段,IGBT、IGCT、SGCT仍將扮演著主要的角色,SCR、GTO將會退出變頻器市場。

⑤無速度傳感器的矢量控制、磁通控制和直接轉矩控制等技術的應用將趨于成熟。

⑥ 全面實現數字化和自動化:參數自設定技術;過程自優化技術;故障自診斷技術。

⑦ 應用32位MCU、DSP及ASIC等器件,實現變頻器的高精度,多功能。

⑧ 相關配套行業正朝著專業化,規模化發展,社會分工將更加明顯。[1] 

發展趨勢

隨著本土高壓變頻器得到更多的用戶的認可,本土品牌憑借良好的性價比優勢正在逐步擴大在國內的市場份額。

品牌:國外品牌多為綜合自動化供應商,擁有多種自動化產品的品牌關聯效應。這種關聯效應還體現在譬如渠道等其他資源的共享上。因此這種“品牌推廣”對于該品牌的產品銷售有很好的推動作用。而本土品牌在自動化產品結構上相對比較單一,更多的是“產品推廣”的營銷策略,因此有一定劣勢。但是隨著本土品牌在市場的逐漸歷練成熟,“產品推廣”的營銷策略也正在向“品牌推廣”轉變。

另外,國外品牌也實施積極的市場策略,ABB的ACS2000系列可能就是應對國內企業風機 泵 壓縮機等市場的。對于本土品牌,在電氣傳動領域,平方轉矩或曰恒功率負載一直是其進入市場的切入點,也是傳動領域的低端市場

技術:技術已經不成為進入這一行業的壁壘,而穩定性及產品性能則逐漸成為各個廠商面臨的主要技術問題。國外品牌由于產品技術相對成熟,行業應用經驗也相對豐富,因此在故障率,元器件質量、以及超大功率產品上用戶相對比較滿意。但是隨著本土品牌的不斷發展,這一差距也在逐步縮小。

價格:毋庸置疑,價格優勢是本土品牌的巨大優勢。這種優勢是短期內不會改變的。而這一特點也迎合了金融危機后,用戶要求性價比,注重減少項目成本的需求。

資金:由于高壓變頻器的單價較高,收款周期都較長,資金的充裕性成為關鍵的競爭力之一,在這一點上,國外品牌壓力較小。通過發展,本土品牌也已積累了一定的資金實力,部分國內廠商已經擁有較充足的資金應對資金流問題以及進行產品的研發與升級。另外,廣州智光、哈爾濱九洲、合康億盛等本土品牌陸續上市,也表明這一行業如低壓變頻一樣會出現更多資本運作。國內廠商逐步度過發展期,開始尋求資本運作,以期提升企業規模效應。

縱觀國內外品牌,技術競爭,營銷競爭已經進入白熱化,但是隨著各品牌針對的目標市場逐漸細化,市場競爭不止表現為價格,也是品牌競爭,脫離制造環節,轉向前端的品牌及研發設計,后端的渠道及服務,也是這一領域可行的商業模式。

同時,如何提高管理水平,嚴格成本控制,優化資金流,人才引進等逐漸成為各品牌之間競爭的核心內容。這種“軟實力”的競爭將在未來更加激烈。

典型故障

故障現象:變頻器在加速、減速或正常運行時出現過電流跳閘。

首先應區分是由于負載原因,還是變頻器的原因引起的。如果是變頻器的故障,可通過歷史記錄查詢在跳閘時的電流,超過了變頻器的額定電流或電子熱繼電器的設定值,而三相電壓和電流是平衡的,則應考慮是否有過載或突變,如電機堵轉等。在負載慣性較大時,可適當延長加速時間,此過程對變頻器本身并無損壞。若跳閘時的電流,在變頻器的額定電流或在電子熱繼電器的設定范圍內,可判斷是IPM模塊或相關部分發生故障。首先可以通過測量變頻器的主回路輸出端子U、V、W, 分別與直流側的P、N端子之間的正反向電阻,來判斷IPM模塊是否損壞。如模塊未損壞,則是驅動電路出了故障。如果減速時IPM模塊過流或變頻器對地短路跳閘,一般是逆變器的上半橋的模塊或其驅動電路故障;而加速時IPM模塊過流,則是下半橋的模塊或其驅動電路部分故障,發生這些故障的原因,多是由于外部灰塵進入變頻器內部或環境潮濕引起。
 

應用領域

電力:引風機、送風機、一次風機、吸塵風機、增壓風機、排粉機、給水泵、循環水泵、凝結水泵、渣漿泵

冶金:除塵風機、通風機、泥漿泵、除垢泵

石化:注水泵、電潛泵、輸油泵、管道泵、排風機、壓縮機、除垢泵

水務:供水泵、取水泵

環保:污水泵、凈化泵、清水泵

水泥:窯爐引風機、壓力送風機、冷卻器吸塵機、生料碾磨機、供氣風機、冷卻器排風機、分選器風機、主吸塵風機

造紙:打漿機

制藥:清洗泵、一次風機、二次風機

采礦:排水泵、排風扇、介質泵、渣漿泵

市場發展

高壓變頻器行業下游可謂是冰火兩重天。從下游高壓變頻器市場規模增速看,好的行業是水化工增幅達到10%,化工行業增幅達到7%,石化行業增幅達到6%、石油行業增幅達到6%,增速不好的的行業有冶金、建材、礦山、電力,分別萎縮7%、8%、9%、12%。

盡管,整個高壓變頻器市場沒有出現持續的爆發式的增長,但我國變頻器品牌已經涵蓋了幾乎所有領域,而且相對國際品牌有信價比優勢。內資高壓變頻器的市場占比已經超過55%.從企業排名看,合康變頻增長13.2%,市場占比13%,已經躋身行業首位的位置;利德華福市場占比12%、西門子占比11%、ABB占比9%、東方日立占比5%.國電四維發展速度較快,2012年增長44%,行業占比接近5%.

縱觀近些年整個高壓變頻器市場,其價格的底線到了。內資企業價格戰幾乎不可能,外企還有很大利潤空間。外資品牌至少還具有10%的空間,西門子、abb、東芝三菱,可能有特價,但不會全面降價。他們都通過代工或是其他品牌做,但是仍然價格高。

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